Onderzoekers van het leger en het MIT hebben een uniek experimenteel apparaat ontwikkeld om de duurzaamheid van hoogwaardige en robuuste polymere materialen die zichzelf lijken te versterken bij een aanval door een snelle impact beter te testen.

Dr. Alex Hsieh van het legeronderzoekslaboratorium, samen met prof. Keith A. Nelson, Dr. David Veysset en Dr. Steven Kooi, van het Army's Institute for Soldier Nanotechnology aan het MIT, ontdekte dat wanneer doelen gemaakt van poly(urethaan-ureum)elastomeren of PUU's met zeer hoge snelheid worden geraakt door microdeeltjes gemaakt van silica, het PUU-doel vertoont hyperelastisch gedrag. Dat is, ze worden extreem stijf wanneer ze worden vervormd met reksnelheden in de orde van 108/s? wat ruwweg betekent dat het materiaal van het doelwit vervormt tot de helft van zijn oorspronkelijke dikte in een extreem korte tijd gelijk aan één seconde gedeeld door honderd miljoen. PUU's stuiteren ook terug na de impact, zei Hsieh.

Het testapparaat gebruikt een gepulste laser om kogels ter grootte van een micrometer af te schieten op doelen gemaakt van PUU's. Onderzoekers vonden, Voor de eerste keer, "gedragingen die sterk contrasteren met de impactrespons waargenomen in een verknoopt polydimethylsiloxaanelastomeer waar microdeeltjes het doelwit binnendringen en het doelwitmateriaal niet terugkaatste of volledig herstelde."

Wetenschappers zeggen dat hun ontdekking van bulkelastomeren kan helpen bij het ontwerpen van matrixmaterialen voor composieten voor de toekomstige generatie gevechtshelmen van het Amerikaanse leger. De verbeterde gevechtshelm van het leger maakt gebruik van hoogwaardig polyethyleen met ultrahoog moleculair gewicht of composieten op basis van UHMWPE-vezels. Deze vezels hebben een hoge breeksterkte, per eenheid dwarsdoorsnedeoppervlak, ongeveer vijftien keer sterker dan staal, maar flexibel als stoffen.

Traditionele ontwerpen van pantsermaterialen omvatten keramiek, metalen en lichtgewicht vezelversterkte composieten voor zowel soldaat- als voertuigbescherming die typisch gebaseerd zijn op stijfheid? de weerstand van een materiaal tegen vervorming? en taaiheid? het vermogen om energie te absorberen en plastisch te vervormen voorafgaand aan breuk.

Maar vanuit het materiaalwetenschappelijk perspectief, deze standaard bulkstatistieken alleen zijn niet voldoende om te kwantificeren hoe snel moleculen in een vaste polymeer hun mobiliteit kunnen veranderen met betrekking tot de vervormingssnelheid, noch de neiging tot een verandering van hun respectievelijke fysieke toestand tijdens dynamische vervorming? d.w.z. kunnen elastomeren veranderen van rubberachtig naar glasachtig wanneer ze met toenemende snelheid worden vervormd?

Hsieh zei dat het team zich concentreerde op polymeren, die zijn samengesteld uit een zeer groot aantal kleine moleculaire eenheden die aan elkaar zijn geregen om zeer lange ketens te vormen, die goed kan worden georganiseerd of willekeurig verpakt. specifiek, polymere materialen die sterk zijn zoals een slagvaste veiligheidsbril of flexibel zoals rubbers. Elastomeren zijn een klasse van door de mens gemaakte rubbers, die kan worden gesynthetiseerd uit een breed scala aan polymeerchemie. "Ze hebben over het algemeen een lage Young's modulus, wat een lage weerstand tegen elastische vervorming onder belasting bij omgevingsomstandigheden betekent, en hogere faalspanning? het vermogen om aanzienlijk meer spanning te verdragen voordat het faalt? dan de meeste plastic materialen, " hij legde uit.

Om de moleculaire invloed verder te valideren, het team heeft uitgebreide onderzoeken uitgevoerd naar PUU's samen met een glasachtig polycarbonaat. Hoewel polycarbonaat bekend staat om zijn hoge breuktaaiheid en ballistische sterkte, deze PUU's, ongeacht hun respectievelijke samenstelling, vertoonden een grotere dynamische verstijving tijdens impact bij reksnelheden in de orde van 108/s. Verder, de weerstand tegen penetratie van het microdeeltje kan worden geoptimaliseerd, d.w.z. een vermindering van ~ 50% van de gemiddelde maximale penetratiediepte werd bereikt door eenvoudigweg de moleculaire samenstelling van PUU's te variëren.

"Dit is heel spannend." zei Dr. Hsieh "Zien is geloven. Nieuw begrip van deze onderzoeksontdekkingen - de essentie van hyperelastisch fenomeen in bulkelastomeren, vooral op het moment van doel/impuls-interactie? wijst er sterk op dat het een plausibele wegsleutel is voor het manipuleren van faalfysica en naar een nieuw ontwerpparadigma voor robuuste materialen."

Van PUU's is bekend dat ze een complexe microstructuur hebben en een breed scala aan relaxatietijden - de kenmerken die worden gebruikt om de efficiëntie weer te geven van hoe moleculen in polymeerketens reageren op een externe impuls. specifiek, voor PUUs-moleculen met langere relaxatietijden in de orde van microseconden bij omgevingsomstandigheden, bijv. langzamere dynamiek, dynamische verstijving mogelijk maken, terwijl degenen met relaxatietijden van nanoseconden bij omgevingscondities in staat waren om extra energieabsorptie te bieden voor dynamische versterking. Deze visco-elastische eigenschappen laten zien dat elastomeren evenals andere polymere materialen op verschillende manieren kunnen vervormen, sterk afhankelijk van hoe snel het wordt vervormd.

Het team veronderstelde dat een coöperatief moleculair relaxatiemechanisme? die lijkt op een resonantiefenomeen van "maliënkolderachtige" moleculaire bewegingen die elk oscilleren op specifieke frequenties om geabsorbeerde energie af te voeren. Deze dynamische versterkings- en verstijvingskenmerken kunnen vermoedelijk worden vergemakkelijkt door intermoleculaire waterstofbinding die aanwezig is in het fysiek verknoopte netwerk in PUU's. In tegenstelling tot, de microseconde relaxatie bij omgevingscondities is niet aanwezig in polycarbonaat, noch zijn waterstofbindingen en het bijbehorende moleculaire mechanisme beschikbaar in polycarbonaat, ondanks zijn taaiheid en slagvastheid. Dus, PUU's of hoogwaardige elastomeren met meerdere relaxatietijden zijn zeer gewenst en essentieel om zowel de dynamische versterking als de dynamische verstijving mogelijk te maken over de tijdschaal van microseconden tot nanoseconden.

Deze unieke observaties zijn uitgewerkt in een recent gepubliceerd artikel in Polymeer , 123 (2017) 30-38.

In de tussentijd, materialen zoals polyurethaan, gelijk aan PUU omdat matrixelastomeren beter presteerden tegen vervorming van het achtervlak in lichtgewicht UHMWPE-composieten. Dit is in wezen het knikken van materiaal in gevechtshelmen die grote krachten op de schedel overbrengen en een stomp impacttrauma veroorzaken. PUU's, polyurethaan en soortgelijke elastomeren, Hsieh zei, die dynamische versterking vertonen bij hoge vervormingen en de vervorming van de helm onder impact aanzienlijk verminderen, voor integratie met geavanceerde vezels, kan van groot nut zijn voor toekomstige gevechtshelmen.

Naast gevechtshelmen, andere potentiële toepassingen van robuuste hoogwaardige elastomeren voor bescherming van soldaten omvatten, maar zijn niet beperkt tot transparante gezichtsschermen, onderkaak gezichtsschermen, ballistische vesten, extremiteit beschermende uitrusting, en explosiebestendige gevechtslaarzen.

Het is ook de bedoeling dat deze onderzoeksontdekking op het hyperelastische fenomeen van PUU's, vooral op het moment van een botsing met zeer hoge snelheid, gaat ook over in voorzienbare gebieden, zoals de bescherming van professionele voetbalspelers en jonge atleten tegen hersenschuddingen of andere hersengerelateerde verwondingen veroorzaakt door botsingen. Vanuit het perspectief van materiaalontwerp, hoogwaardige robuuste elastomeren kunnen worden gebruikt als de buitenste lagen van de helm of om eenvoudig de polycarbonaat schaal te vervangen, zei Hsieh.